關(guān)鍵詞：負(fù)載口獨立；機(jī)液壓差補(bǔ)償；能耗；運動控制
0 引言
液壓傳動與控制技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)簡單、輸出重量比大、反應(yīng)靈敏、傳動平穩(wěn)、響應(yīng)快等特點在農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、鋼鐵工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)由于其采用了一根閥芯同時控制著進(jìn)、出口油路，產(chǎn)生了多余的節(jié)流損失，導(dǎo)致了系統(tǒng)能耗大、效率低，因此1987 年德國的 Backe 教授提出了負(fù)載口獨立控制技術(shù)， 即利用兩個獨立的閥分別控制著進(jìn)、出口油路，從而盡量降低節(jié)流損失， 達(dá)到節(jié)能的目的[1]。此后，眾多學(xué)者對負(fù)載口獨立控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究，在組合方式、控制方法、實驗研究上取得了一定成果[2-4]。文獻(xiàn)[5]提出了在負(fù)載口獨立控制系統(tǒng)中利用機(jī)液壓差補(bǔ)償方法，不但可以提高系統(tǒng)的可靠性，而且具有一定的節(jié)能特性。
因此， 本文將分析負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點，對比電液壓差補(bǔ)償方法和機(jī)液壓差補(bǔ)償方法的特點，采用機(jī)液壓差補(bǔ)償原理，選用相關(guān)液壓元件，設(shè)計基于機(jī)液壓差補(bǔ)償?shù)呢?fù)載口獨立控制閥及多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)，并分析其工作原理， 搭建試驗平臺。
1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理：
1.1 傳統(tǒng)閥控液壓系統(tǒng)工作原理
傳統(tǒng)的閥控液壓系統(tǒng)普遍采用三位四通滑閥的結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示，利用一個多邊節(jié)流的控制閥芯 x 同時控制著液壓執(zhí)行器的進(jìn)、出口油路，在進(jìn)口節(jié)流調(diào)速的過程中，出口同時進(jìn)行節(jié)流，這就造成了多余的出口節(jié)流損失，因此，傳統(tǒng)控制閥的結(jié)構(gòu)形式造成了重復(fù)節(jié)流損失，使得系統(tǒng)在一定程度上能耗上升，效率降低。同時，由于閥芯和閥體的結(jié)構(gòu)決定了中位機(jī)能，一旦控制閥確定， 中位機(jī)能即確定，在實際的應(yīng)用過程中，中位機(jī)能不能隨著應(yīng)用工況的需求而改變，因此，傳統(tǒng)閥控系統(tǒng)的工況適應(yīng)性較差。
圖 1 傳統(tǒng)的閥控液壓系統(tǒng)示意圖
1.2 負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)工作原理
負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)工作原理，如圖 2 所示，將原有的單個控制閥芯 x,分別利用四個控制閥芯 x1、x2、x3、x4 替代，從而完成對液壓執(zhí)行器進(jìn)、 出口油路的獨立控制， 根據(jù)液壓執(zhí)行器工況需求，通過不同的控制邏輯對相應(yīng)的施控制，在進(jìn)口控制閥節(jié)流調(diào)速控制的同時，出口控制閥進(jìn)行柔性控制，從而可以避免傳統(tǒng)閥控液壓系統(tǒng)中所出現(xiàn)的重復(fù)節(jié)流損失，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)能耗， 實現(xiàn)閥控液壓系統(tǒng)節(jié)能。
1.3 負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)布局形式
負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)的布局形式主要有兩種，如圖 3 所示， 國內(nèi)外學(xué)者所研究的布局形式均是由這兩種布局形式進(jìn)行變形與改進(jìn)而來。圖 3（a）所示為 4-2/2 型液壓布局形式，利用四個 2/2 比例閥進(jìn)行組合， 控制 1 個液壓執(zhí)行器；圖 3（b） 所示為 2-3/3型液壓布局形式，利用兩個 3/3 比例閥進(jìn)行組合， 控制 1 個液壓執(zhí)行器。 兩種布局形式各有特點，4-2/2 型具有較高的控制柔性，可以實現(xiàn)多種中位機(jī)能，但是成本較高、控制難度較大；2-3/3 型布局形式成本相對較低、控制難度相對小， 但控制柔性較低， 實現(xiàn)的中位機(jī)能種類較少。
（a） 4-2/2 型（b） 2-3/3 型
2 負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)運動控制方法：
2.1 電液壓差補(bǔ)償方法
無論是傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，還是新型的負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)， 其中一個最為重要的功能是運動控制。運動控制是一個難點，國內(nèi)外學(xué)者在研究負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)時， 多采用電液壓差補(bǔ)償方法，所謂負(fù)載口獨立控制系統(tǒng)的電液壓差補(bǔ)償方法，如圖 4 所示，通過 3 個壓力傳感器檢測進(jìn)口控制閥兩端的壓力、出口控制閥的壓力， 計算閥口壓降， 利用壓力——流量特性方程， 根據(jù)實際工況， 通過控制器對進(jìn)、出口控制閥的閥芯進(jìn)行柔性控制， 從而實現(xiàn)變負(fù)載工況下液壓執(zhí)行器的運動控制。
然而， 負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)是一個典型的多輸入多輸出控制系統(tǒng)， 存在著壓力、流量的耦合控制， 是一個復(fù)雜多變的控制系統(tǒng)。電液壓差補(bǔ)償方法多采用成本較高的比例伺服閥，通過內(nèi)置的閥芯位移傳感器檢測閥芯位移并以電反饋的方式實現(xiàn)壓力、流量的耦合控制，此種電液壓差補(bǔ)償方法復(fù)雜，計算量大，對控制器性能要求較高， 并且需要大量的試驗進(jìn)行性能調(diào)試， 因此，很難在現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)械中進(jìn)行推廣應(yīng)用，而工程機(jī)械或農(nóng)業(yè)機(jī)械中均采用沒有內(nèi)置閥芯位移傳感器的比例閥或開關(guān)閥， 現(xiàn)有的研究不滿足應(yīng)用條件，其工程應(yīng)用更進(jìn)一步受到了限制。
2.2 機(jī)液壓差補(bǔ)償方法
為了克服電液壓差補(bǔ)償方法的缺點， 本文采用機(jī)液壓差補(bǔ)償方法，對負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。所謂機(jī)液壓差補(bǔ)償方法,如圖 5 所示，采用壓力補(bǔ)償器對進(jìn)口控制閥的壓差進(jìn)行補(bǔ)償， 同時， 通過 2 個壓力傳感器對進(jìn)、出口控制閥的壓力進(jìn)行檢測， 通過控制器制定相應(yīng)的進(jìn)口控制閥和出口控制閥的控制方法。相比于電液壓差補(bǔ)償方法，減少了信號檢測點，避免了閥芯位移檢測， 增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性， 便于變負(fù)載工況下控制策略的制定，便于今后在農(nóng)業(yè)機(jī)械及工程機(jī)械中進(jìn)行推廣應(yīng)用。
3 負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)設(shè)計：
3.1 負(fù)載口獨立控制閥設(shè)計
根據(jù)前文所述，采用機(jī)液壓差補(bǔ)償方法，設(shè)計負(fù)載口獨立控制閥，原理圖和三維設(shè)計圖，如圖 6 所示。采用 5 個二位二通比例閥 4 作為主控制閥，可以實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯控制、多種中位機(jī)能以及流量再生功能；采用壓力補(bǔ)償器 5 補(bǔ)償進(jìn)口閥兩端的前后壓差，從而實現(xiàn)流量穩(wěn)定控制；采用兩個二位三通換向閥 2 和梭閥 6 實現(xiàn)工作油腔的壓力傳遞到負(fù)載敏感口 LS；采用兩個二次補(bǔ)油閥 1，可以實現(xiàn)當(dāng)液壓執(zhí)行器兩腔吸空時進(jìn)行補(bǔ)油； 采用保持閥 3 可以實現(xiàn)負(fù)載保持功能； 除此以外， 設(shè)置了兩個供油口P1、P2，兩個負(fù)載敏感口 LS1、LS2，兩個回油口 T1、T2，以及兩個測壓口 Ma、Mb。
當(dāng) A 口進(jìn)油、B 口回油時， 其工作原理如下：二位二通比例閥 4.3、二位二通比例閥 4.5、二位三通換向閥 2.1、保持閥 3 同時打開則壓力油從供油口 P 1 或 P 2 進(jìn)油，經(jīng)過壓力補(bǔ)償器 5 ，再經(jīng)過二位二通比例換向閥 4.3 達(dá)到 A 口， 驅(qū)動液壓執(zhí)行器運動，通過 B 口回油， 經(jīng)過保持閥 3， 再經(jīng)過二位二通比例閥 4.5 到回油口 T1、T2，同時，A 口工作壓力通過二位三通換向閥 2.2 和 2.1，一路流入壓力補(bǔ)償器 5 的比較口， 另一路通過梭閥 6 流回負(fù)載敏感 LS1 或 LS2。
當(dāng) B 口進(jìn)油、A 口回油時， 其工作原理與上述工作原理相似，所不同的是，二位二通換向閥 4.2 和 4.4 工作。
1.過載補(bǔ)油閥；2.二位三通換向閥；3.保持閥；4.二位二通比例閥；5.壓力補(bǔ)償器；6.梭閥。
圖 6 負(fù)載口獨立控制閥原理圖和三維設(shè)計圖
3.2 多執(zhí)行器負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)設(shè)計
以挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)為例， 設(shè)計多執(zhí)行器負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)，其他工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械與其類似。挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)原理圖和實物圖如圖 7、圖 8 所示。
挖掘機(jī)的工作機(jī)構(gòu)包括動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn)， 對應(yīng)的液壓驅(qū)動執(zhí)行器為動臂液壓缸、斗桿液壓桿、鏟斗液壓缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)，對于負(fù)載口獨立控制閥，最大的特點是其通用性，因此，可以選用同樣的負(fù)載口獨立控制閥進(jìn)行控制，如圖 7 所示，選用四組負(fù)載口獨立控制閥 5.1、5.2、5.3 和 5.4 分別控制動臂液壓缸、斗桿液壓桿、鏟斗液壓缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)，并將四組閥的供油口 P、負(fù)載敏感口 LS 與負(fù)載敏感變量泵 7 的出油口 P、負(fù)載敏感口 LS 分別相連，將四組閥的回油口 T 與油箱相連，從而構(gòu)成了整個工作機(jī)構(gòu)的負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)回路。
1.動臂液壓缸；2.斗桿液壓缸；3.鏟斗液壓缸；4.回轉(zhuǎn)馬達(dá)；5.負(fù)載口獨立控制閥動臂聯(lián)、斗桿聯(lián)、鏟斗聯(lián)和回轉(zhuǎn)聯(lián)；6.發(fā)動機(jī)；
7.負(fù)載敏感變量泵；8.油箱。
打開，則壓力油從供油口 P1 或 P2 進(jìn)油，經(jīng)過壓力補(bǔ)償器 5，再經(jīng)
圖 7 挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)原理圖
4 結(jié)論：
針對電液壓差補(bǔ)償方法計算量大、方法復(fù)雜、成本高等缺點， 分析了機(jī)液壓差補(bǔ)償方法的特點，根據(jù)機(jī)液壓差補(bǔ)償原理，采用
5 個二位二通比例閥作為主控制閥，選用壓力補(bǔ)償器對進(jìn)口控制閥兩端的壓差進(jìn)行補(bǔ)償，配以梭閥、換向閥、過載補(bǔ)油閥等液壓輔助元件，設(shè)計了基于機(jī)液壓差補(bǔ)償?shù)呢?fù)載口獨立控制閥，并以挖掘機(jī)的工作機(jī)構(gòu)為例，設(shè)計了挖掘機(jī)多執(zhí)行器負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)，并制造與安裝了相關(guān)液壓元件，搭建了試驗平臺，為后續(xù)負(fù)載口獨立液壓系統(tǒng)的控制特性研究提供了良好基礎(chǔ)。
基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金項目資助（51805228）；江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)基金研究項目資助（18KJB460010）；江蘇省高 等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（201811463001Z）
作者簡介： 黃鵬輝（1999—）， 男， 河南信陽人， 本科， 研究方向： 液壓系統(tǒng)設(shè)計。
通訊作者： 劉凱磊（1988—）， 男， 甘肅嘉峪關(guān)人， 工學(xué)博士， 講師， 研究方向：電液比例控制技術(shù)，新型流體元件的開發(fā)與應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1] Backé W. Design systematics and performance of cartridge valve controls [C].International conference on fluid power, tampere, finland. 1987, 3: 1-48.
[2] 丁孺琦，徐兵，張軍輝.負(fù)載口獨立控制系統(tǒng)壓力速度復(fù)合控
制的耦合特性[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報( 工學(xué)版)，2017，51(6)：1126- 1134.
[3] 黃偉男，權(quán)龍，黃家海，等.進(jìn)出口獨立控制液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系
統(tǒng)運行特性[J].機(jī)械工程學(xué)報，2016，52(20)：159-167.
[4] Choi K, Seo J, Nam Y, et al. Energy-saving in Excavators with Application of Independent Metering Valve [J]. Journal of Mechanical Science & Technology, 2015, 29(1):387-395.
[5] Liu Kailei, Gao Yingjie, Tu Zhaohui. Energy saving potential of load sensing system with hydro -mechanical pressure compensa tion and independent metering[J]. International Journal of Fluid Power, 2016, 17(3):173-186.
【興迪源機(jī)械液壓技術(shù)優(yōu)勢】
興迪源機(jī)械嚴(yán)格按照ISO國際標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量管理體系和5S管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控和內(nèi)部管理。建立有 “河南省流體壓力成形智能裝備工程技術(shù)研究中心”，核心團(tuán)隊由數(shù)10名博士、碩士和各高等院校金屬成形專家教授組成，專注于液壓成形核心技術(shù)和產(chǎn)品工藝研發(fā)。
興迪源機(jī)械與中國科學(xué)院金屬研究所、南京航空航天大學(xué)等院校開展長期的產(chǎn)、學(xué)、研合作，并共同設(shè)立了“液壓成形技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范基地”，時刻跟蹤國內(nèi)外領(lǐng)先技術(shù)，不斷提升“興迪源”液壓設(shè)備品牌價值。
